Ãnoncé Préliminaires : noyaux itérés Premi`ere partie
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Ãnoncé Préliminaires : noyaux itérés Premi`ere partie
MPSI B 6 juin 2015 ´ Enonc´ e Premi` ere partie Soit V un espace vectoriel r´eel 1 . L’espace vectoriel des endomorphismes de V est d´esign´e par L(V ). Lorsque f ∈ L(V ) et k ∈ N, on d´esigne par Le but de cette partie est d’´etablir des propri´et´es des endomorphismes g recherch´es pour un λ r´eel donn´e et de donner un exemple. 1. Une caract´erisation des sous-espaces vectoriels stables par g. f 0 = IdV , f k = f k−1 ◦ f ´ a. Etant donn´e un entier naturel n donn´e, soit p ∈ {0, 1, · · · , n}. Montrer que s’il existe un endomorphisme g de l’espace vectoriel En = Rn [X] tel que la compos´ee de f avec lui mˆeme k fois. On d´esigne par E l’espace des polynˆ omes ` a coefficients r´eels et, pour un entier n, par En l’espace des polynˆ omes de degr´e inf´erieur ou ´egal ` a n. g 2 = λIdEn + Dn E = R[X], En = Rn [X] alors l’endomorphisme g commute avec Dn : Soit D l’endomorphisme de d´erivation de E qui ` a un polynˆome Q associe son polynˆome d´eriv´e Q0 . De mˆeme, Dn est l’endomorphisme de d´erivation de En qui `a un polynˆome Q de degr´e inf´erieur ou ´egal ` a n associe son polynˆ ome d´eriv´e Q0 . L’objet du probl`eme est de rechercher les r´eels λ pour lesquels l’endomorphisme λIdE +D est ´egal a` un g 2 pour un certain endomorphisme g de E. On se pose la mˆeme question pour l’endomorphisme λIdEn + Dn . g ◦ Dn = Dn ◦ g Montrer que Ep est stable par g. Soit gp la restriction de g ` a Ep . D´emontrer la relation : gp2 = λIdEp + Dp b. Montrer que s’il existe un endomorphisme g de l’espace vectoriel E = R[X] tel que g 2 = λIdE + D Pr´ eliminaires : noyaux it´ er´ es Soit V un espace vectoriel r´eel et f un endomorphisme de V . 1. Montrer que la suite des noyaux des endomorphismes f k pour k = 1, 2, · · · est une suite de sous-espaces vectoriels de V emboit´ee croissante : alors l’endomorphisme g commute avec D : g◦D =D◦g ker f 0 ⊂ ker f 1 ⊂ · · · ⊂ ker f k ⊂ ker f k+1 ⊂ · · · En d´eduire que, pour tout entier naturel n, En est stable par g. Soit gn la restriction de g `a En . D´emontrer la relation : 2. Montrer que s’il existe un entier p tel que les noyaux des endomorphismes f p et f p+1 soient ´egaux, alors : ∀k ≥ p : ker f k = ker f p gn2 = λIdEn + Dn c. Soit g un endomorphisme de l’espace vectoriel E = R[X] tel que 3. Montrer que lorsque l’espace V est de dimension finie n, la suite des dimensions des noyaux des endomorphismes f k est constante ` a partir d’un rang p inf´erieur ou ´egal `a la dimension n de l’espace. En d´eduire en particulier ker f n = ker f n+1 4. Soit u un endomorphisme d’un espace vectoriel V de dimension finie n pour lequel il existe un entier q sup´erieur ou ´egal ` a 1 tel que uq soit l’endomorphisme nul. On dit alors que u est nilpotent. Montrer que un est l’endomorphisme nul. g 2 = λIdE + D i. Soit F un sous-espace vectoriel de E stable par D et de dimension n + 1. On note DF l’endomorphisme de F qui est la restriction de D ` a F . Montrer que DF est nilpotent. En d´eduire que F = En = Rn [X] D´eterminer tous les sous-espaces vectoriels G de E (de dimension finie ou non) stables par D. ii. D´emontrer que, pour qu’un sous-espace vectoriel G de E soit stable par g, il faut et il suffit qu‘’il soit stable par D. 1 Pr´ eliminaires, Premi` ere et Deuxi` eme partie de la premi` ere ´ epreuve du Concours Commun Mines-Ponts 2001 PC. Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ 1 R´ emy Nicolai Aalglin1 MPSI B 6 juin 2015 b. En d´eduire qu’il existe une base Bn de En = Rn [X] pour laquelle la matrice de Dn est la matrice Aλ . Quelle est la matrice associ´ee ` a λIdEn + Dn dans cette base Bn ? 2. Une application imm´ediate : le cas λ < 0. a. Sous quelle condition n´ecessaire sur le r´eel λ existe-t-il un endomorphisme g de l’espace E0 = R0 [X] tel que 4. Un exemple. Dans cette question, l’entier n est ´egal ` a 2. g 2 = λIdE0 + D0 a. Montrer que les seuls endomorphismes h de E2 qui commutent avec D2 sont les polynˆomes de degr´e inf´erieur ou ´egal ` a 2 en D2 c’est ` a dire les polynˆ omes de la forme h = aIdE1 + bD2 + cD22 b. Soit λ un r´eel strictement n´egatif, d´eduire des questions pr´ec´edentes les deux propri´et´es : – Il n’existe pas d’endomorphisme g de E tel que pour a, b, c r´eels. g 2 = λIdE + D b. En d´eduire qu’il existe des endomorphismes g de E2 qui v´erifient – Il n’existe pas d’endomorphisme g de En tel que g 2 = λIdE3 + D2 2 g = λIdEn + Dn D´eterminer les matrices carr´ees G d’ordre 3 qui v´erifient 3. Une repr´esentation matricielle simple de Dn . Soit n un entier naturel sup´erieur ou ´egal ` a 1 et λ un r´eel. On d´efinit la matrice carr´ee d’ordre n + 1 not´ee Aλ et dont les coefficients sont not´es ai,j par les relations suivantes : ai,j = λ si i = j ai,j = 1 si i + 1 = j ai,j = λ sinon C’est ` a dire λ 1 0 0 Aλ = 0 . .. λ 0 .. . 0 ··· 1 .. . .. . 0 ··· .. . .. . λ 0 G2 = A1 Deuxi` eme partie L’objet de cette partie est d’´etudier le cas o` u le r´eel λ est nul. Dans cette partie, l’entier n est sup´erieur ou ´egal ` a 1. 1. Existence d’un endomorphisme g tel que g 2 = Dn . a. Montrer que, s’il existe un endomorphisme g de En = Rn [X] tel que g 2 = Dn , alors l’endomorphisme g est nilpotent et le noyau de g 2 a une dimension au mins ´egale `a 2. 0 .. . 0 1 λ b. En d´eduire qu’il n’existe pas d’endomorphisme g de En = Rn [X] tel que g 2 = Dn . c. En d´eduire qu’il n’existe pas d’endomorphisme g de E = R[X] tel que g 2 = D. 2. Existence d’un endomorphisme g tel que g k = Dn . a. Soit m un entier sup´erieur ou ´egal a ` 1 et k un entier sup´erieur ou ´egal ` a 2. Soit g un endomorphisme de E = R[X] tel que a. Soit V un espace vectoriel de dimension finie n + 1 et f un endomorphisme de V tel que f n+1 soit l’endomorphisme nul sans que f n le soit. D´emontrer qu’il existe un vecteur y dans V tel que gk = Dm Montrer que les deux endomorphismes D et g sont surjectifs. B = (y, f (y), f 2 (y), · · · , f n (y)) b. D´emontrer que les sou-espaces vectoriels ker g q de E sont de dimension finie lorsque 0 ≤ q ≤ k. soit libre. Quel est la matrice de f dans la base B ? Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ 2 R´ emy Nicolai Aalglin1 MPSI B 6 juin 2015 c. Soit p un entier tel que 2 ≤ p ≤ k. Soit Φ l’application d´efinie dans ker g p par : Corrig´ e Pr´ eliminaires ∀P ∈ ker g p : Φ(P ) = g(P ) 1. Comme f 0 est l’identit´e, son noyau {OV } est inclus dans ker f . Pour k entier non nul, ∀x ∈ ker f k : x ∈ ker f k ⇒ f k (x) = 0V ⇒ f f k (x) = f (0V ) ⇒ x ∈ ker f k+1 Montrer que cette application est lin´eaire de ker g p et `a valeurs dans ker g p−1 . Pr´eciser son noyau et son image. En d´eduire une relation entre les dimensions des sous-espaces ker g p et ker g p−1 . Quelle est la dimension de ker g p en fonction de ker g ? Ce qui montre la chaˆıne d’inclusions demand´ee. 2. Soit p un entier tel que d. D´eterminer une condition n´ecessaire et suffisante sur les entiers m et k pour qu’il existe un endomorphisme g de E tel que g k = Dm . Retrouver le r´esultat de la question II.1.c. ker f p = ker f p+1 Nous allons montrer que ker f p+2 ⊂ ker f p+1 Cela entrainera l’´egalit´e ker f p = ker f p+2 puis, en recommen¸cant avec p + 1, cela entrainera l’´egalit´e de tous les noyaux suivants. Il s’agit donc de montrer ker f p+2 ⊂ ker f p+1 Cela r´esulte de ∀x ∈ ker f p+2 : f p+1 (f (x)) = 0V ⇒ f (x) ∈ ker f p+1 = ker f p ⇒ f p+1 (x) = f p (f (x)) = 0V ⇒ x ∈ ker f p+1 3. On suppose que V est de dimension finie. Les dimensions des noyaux forment une suite croissantes d’entiers tous inf´erieurs ou ´egaux ` a dim V . Une telle suite ne peut ˆetre strictement croissante. Il existe donc un entier p tel que : 0 = dim(ker f 0 ) < dim(ker f 1 ) < · · · < dim(ker f p ) = dim(ker f p+1 ) ≤ dim V = n Comme les premi`eres in´egalit´es sont strictes, on obtient p ≤ dim(ker f p ) ≤ n Comme on est en dimension finie : ) dim(ker f p ) = dim(ker f p+1 ) ker f p ⊂ ker f p+1 ⇒ ker f p = ker f p+1 L’´egalit´e se propage alors (d’apr`es 2.) ` a tous les k ≥ p parmi lesquels figure n. Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ 3 R´ emy Nicolai Aalglin1 MPSI B 6 juin 2015 4. On applique le r´esultat de la question pr´ec´edente. Dans le cas d’un endomorphisme u nilpotent, la suite ”croissante” des noyaux it´er´es se stabilise (avant n) ` a sa valeur finale qui est V tout entier. On en d´eduit qu’il existe un p ≤ n tel que V = ker up . Cela signifie ii. Comme g commute avec D, un sous-espace est stable par g si et seulement si il est stable par D. 2. Cas λ < 0 a. Dans E0 = R qui est un espace de dimension 1, les seules applications lin´eaires sont les multiplications par un scalaire. En particulier g est la multiplication par µ et D0 est l’application nulle donc up = 0L(V ) ⇒ un = 0L(V ) Premi` ere Partie 1. µ2 = λ 2 a. Dans En , si g = λIdE + Dn alors Dn s’exprime en fonction de g : Ce qui entraˆıne λ ≥ 0 Dn = −λIdE + g 2 b. D’apr`es 1., lorsqu’il existe un g (dans E ou dans En ), le sous-espace E0 est stable par D et g donc λ ≥ 0. Ainsi, lorsque λ < 0, il n’existe pas d’application g v´erifiant la condition ´etudi´ee (ni dans E, ni dans un En ). Sous cette forme, il est ´evident que Dn commute avec g. On en d´eduit que g commute avec les puissance de Dn . En particulier 3. x∈ ker Dnp+1 ⇒ g(x) ∈ ker Dnp+1 car a. Soit f lin´eaire de V dans V telle que f n+1 soit nulle mais pas f n . Il existe alors un y ∈ V tel que f n (y) 6= 0 Montrons que B = (y, f (y), · · · , f n (y)) est libre. Si (λ0 , λ1 , · · · λn ) sont des r´eels tels que Dnp+1 (g(x)) = g(Dnp+1 (x)) = g(0E ) = 0E Une fois prouv´ee la stabilit´e de Ep par g, on peut consid´erer la restriction gp de g` a Ep . Elle v´erifie ´evidemment la mˆeme relation que g. λ0 y + λ1 f (y) + · · · + λn f n (y) = 0 b. Le raisonnement est le mˆeme que pour la question pr´ec´edente. Le fait que E ne soit pas de dimension finie ne change rien. Si g v´erifie la relation, il commute donc avec l’op´erateur de d´erivation. Comme plus haut, En est stable par g car c’est un noyau d’une puissance de Dn et la restriction gn de g v´erifie la mˆeme relation avec la restriction Dn de D. c. en composant par f n , on obtient λ0 f n (y) = 0 avec f n (y) 6= 0 d’o` u λ0 = 0 et ainsi de suite. En composant successivement par f n−1 , f n−2 , · · · on obtient la nullit´e de tous les coefficients. La famille est donc libre. Cette famille est une base car elle contient autant de vecteurs que la dimension de l’espace. La matrice de f dans cette base est A0 . i. L’op´erateur DF est la restriction ` a F de l’op´erateur de d´erivation. Comme F est de dimension finie, il existe un entier k qui est le degr´e maximal d’un polynˆ ome quelconque de F . Alors DFk+1 est nul. D’apr`es la partie pr´eliminaire, comme DF est nilpotent dans un espace de dimension n + 1, l’endomorphisme DFn est nul. Ceci montre que F ⊂ Rn [X]. Comme les deux espaces sont de mˆeme dimension, ils sont ´egaux. On peut en conclure que les seuls sous-espaces de dimension finie stables par D sont les Rn [X]. Un seul sous-espace de dimension infinie est stable par D, il s’agit de R[X] lui mˆeme. En effet, un tel espace doit contenir des polynˆomes de degr´e arbitraire et tous leurs polynˆ omes d´eriv´es. Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ b. L’existence d’une base Bn dans laquelle la matrice de Dn est A0 r´esulte de la question pr´ec´edente. On pouvait aussi choisir une famille constitu´ee de polynˆ omes de la forme 1 k X k! La matrice associ´ee ` a λIdEn + Dn dans cette base est Aλ 4. Ici n = 2 a. Il est bien ´evident que les h de la forme aIdE + bD2 + cD22 4 R´ emy Nicolai Aalglin1 MPSI B 6 juin 2015 commutent avec D2 . On va montrer que ce sont les seuls. Soit P un polynˆ ome de degr´e 2. Alors (P, D(P ), D2 (P )) est une base de E2 . Comme f (P ) ∈ E2 , il existe des r´eels a, b, c tels que Deuxi` eme Partie 1. f (P ) = aP + bD(P ) + cD2 (P ) Comparons f et F = aIdE + bD + cD2 . Pour cela, il suffit de les comparer sur les vecteurs d’une base. Par d´efinition : b. Il n’existe pas de g tel que g 2 = Dn car le noyau de Dn est de dimension 1 alors que celui de g devrait ˆetre de dimension 2. f (P ) =F (P ) c. idem f (D(P )) =D(f (P )) = aD(P ) + bD2 (P ) = F (D(P )) car D3 (P ) = 0 2. f (D2 (P )) =D2 (f (P )) = aD2 (P ) = F (D2 (P )) Les deux fonctions co¨ıncident sur une base, elles sont donc ´egales. b. On doit chercher les g telles que g 2 = λId + D parmi les applications qui commutent avec D. Cherchons donc des conditions sur a, b, c assurant que g = aIdE + bD2 + a. Comme Dn est nilpotent, il est ´evident que g l’est aussi lorsque g 2 = Dn . Par cons´equent g 2 ne peut pas ˆetre injectif. Mais pourquoi ker g 2 est-il de dimension au moins 2 ? Comme g est nilpotente elle n’est pas injective. Donc si la dimension de ker g 2 n’est pas au moins 2 alors ker g et kerg 2 seront de dimension 1 et ´egaux. D’apr`es la partie pr´eliminaire, la suite des noyaux de g est constante d`es le premier rang. Autrement dit g est nulle ce qui est absurde. a. Tout polynˆ ome admet plusieurs polynˆ omes primitifs (c’est ` a dire dont le polynˆ ome d´eriv´e est ´egal au polynˆ ome donn´e) qui diff`erent d’une constante. L’application D est donc surjective. Il en est de mˆeme de Dm = g k . La surjectivit´e de g k entraˆıne celle de g. b. Pour q ≤ k, ker g q ⊂ ker g k = ker Dm = Em−1 qui est de dimension finie m. c. L’application Φ est clairement lin´eaire. Elle prend ses valeurs dans ker g q−1 car si x ∈ ker g k alors g q (x) = g q−1 (g(x)) donc g(x) ∈ ker g q−1 . Montrons la surjectivit´e de Φ. Soit x ∈ ker g q−1 alors comme g est surjective, il existe un y tel que x = g(y) et cD22 v´erifie g 2 = λId + D. Calculons g 2 : g 2 = a2 Id + 2abD2 + (b2 + 2ac)D2 = λId + D 0 = g p−1 (x) = g p (y) Comme les application lin´eaires (Id, D, D2 ) forment une famille libre, on peut identifier les coefficients. On trouve donc deux matrices une d´efinie par donc y ∈ ker g p et y est un ant´ec´edent par Φ de x. Ainsi Φ est surjective de ker g p vers ker g p de noyau ker g. Le th´eor`eme du rang donne alors dim(ker g p ) = dim(ker g p−1 ) + dim(ker g) √ a= λ 1 b= √ 2 λ c=− 1 √ 8λ λ La suite des dimensions est arithm´etique d’o` u L’autre ´etant son oppos´ee. Dans le cas o` u λ = 1, on trouve la matrice 1 12 − 81 1 0 1 2 0 0 1 dim(ker g p ) = p dim(ker g) d. Si g k = Dm , comme dim(ker Dm ) = m, on doit avoir dim(ker g k ) = m c’est ` a dire k dim(ker g) = m. Il est donc n´ecessaire que k divise m. et son oppos´ee. Cette cr´ eation est mise ` a disposition selon le Contrat Paternit´ e-Partage des Conditions Initiales a ` l’Identique 2.0 France disponible en ligne http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/ 5 R´ emy Nicolai Aalglin1